水电工程边坡施工全过程信息模型研究与应用

　　摘要:针对水电工程边坡施工期信息管理及可视化分析存在工程模型及信息动态属性描述片面、信息表达不全面等问题，该文将现代信息技术与工程建设深度融合，以感知、分析、控制的智能建造理论为基础，借鉴建筑信息模型(buildinginformationmodeling，BIM)，提出水电工程边坡施工全过程信息模型的建立方法和实现过程，构建了在线分析、动态跟踪、反馈预警的施工综合管控体系.采用VisualC#网络编程技术，构建了集进度、质量、安全于一体的水电工程高边坡施工全过程的现代化信息模型管理平台.以白鹤滩水电站坝肩边坡为实例进行应用，实现该边坡设计、施工过程与成果的全面数字化管理，有效改善了传统的水电工程施工信息散乱、效率低、难流动的工作模式，有利于控制施工进度、降低施工过程的安全风险，直接指导现场施工生产，具有较大的工程应用价值.

　　关键词:水利水电工程;信息模型;信息管理平台;施工全过程

　　中国云、贵、川、藏等西南地区山高谷深，蕴藏着丰富的水能资源，加快水能资源开发利用已成为改善能源结构、推进节能减排的重要战略举措[1].特别是随着西部大开发的推进，雅砻江、大渡河、岷江、金沙江等流域的大批大型、特大型高坝大库工程相继开工建设，还有一大批水利水电工程已开始前期筹备[2].该区域边坡多处于高山峡谷中，地势陡峭，地质条件极为复杂，开挖方量与施工难度均极大，科学、高效、有序地组织边坡施工，对工程总工期及各关键节点工期的实现有着十分重要的意义.

　　在水电工程建设过程中，施工信息流动主要采用人工统计数据与报表编制的工作模式，这种方式工作量大、效率低，缺少必要的反馈控制层，难以保证信息的及时性和有效性，特别是大型水电工程的数据信息管理与统计难度更大.在“互联网+”、大数据、人工智能的时代背景下，一些信息管理系统平台与工程建设相结合，实现了工程施工数据的数字化、信息化，如钟宇等[3]提出基于BIM技术的工程结构信息模型建模方法，实现工程信息的充分共享.张社荣等[4]基于4D技术，提出了水电工程边坡施工期安全信息模型，实现了某水电站边坡施工进度和结构安全的实时动态耦合.王超等[5]结合施工期高边坡工程安全的实时分析问题，开发了工程边坡安全性实时分析控制系统，实现了边坡安全状态实时动态仿真和预测评价.谢全敏等[67]以工程边坡案例为基础，应用数据挖掘和知识发现技术提出边坡工程稳定性智能评价分析技术，并研发了边坡综合治理方案优化选择系统.从上述研究成果来看，水电工程边坡已开展数字化、信息化相关研究，但紧密结合工程现场安全、质量、进度等辅助现场施工管理的信息模型及现代化管理平台研发与应用较少，特别是边坡工程的研究几乎空白.

　　为此，本文将现代信息技术与工程建设深度融合，通过借鉴BIM技术和信息模型，提出水电工程边坡施工全过程信息模型的建立方法和实现过程，采用VisualC#网络编程技术，研发构建了集进度、质量、安全于一体的水电工程高边坡施工全过程的现代化管理平台.以白鹤滩水电站坝肩边坡为实例进行应用，实现水电工程高边坡设计、开挖支护施工过程与成果的全面数字化管理，形成了在线分析、动态跟踪、反馈预警的施工综合管控体系，能有效控制施工进度、降低施工过程的安全风险，为水电工程的数字化和信息化提供了解决思路和参考.

　　1边坡施工全过程智能化管理理念

　　边坡施工涉及工程设计、开挖支护过程、施工测量、工程质量、安全监测等多种数字化信息，其中开挖与支护施工过程管理是项目数字化管控的重点，需要实现对边坡施工计划、施工过程及重点工序监控、施工进度质量安全等多方面的数字化集成.樊启祥等[810]在大型水电工程管理经验总结基础上，结合溪洛渡大坝智能化建设模式，提出了“一个中心、两个支撑、三个支柱力量”的工程项目管理模式，即以项目建设单位为中心，科研单位与咨询(专家团队)为技术支撑，以工程设计、监理、施工等参建单位为支柱，构建形成了“感知分析控制”产学研有机协同工作模式.结合水电工程高边坡施工的特点，参考借鉴文[8]的工作模式，以感知、分析、控制的智能建造理论为基础，借助计算机仿真、可视化与物联网技术，建立动态精细化的可感知、可分析、可控制的边坡建设与运行管理体系，提出边坡施工全过程智能化管理基本框架和思路.感知，即利用现代的传感与采集技术，实时、全面、准确地采集工程建设中的各类施工数据，借助卫星通信技术、移动网络及互联网技术实时动态进行双向传输，包含现场开挖与支护进度实时获取、爆破震动实时在线监测、边坡变形与稳定在线监测、现场质量指标采集等，依靠互联与移动网络，实现实时在线传输等.

　　分析，即在上述实时获取的数据基础上，利用大数据挖掘及仿真分析技术，实时动态分析数据规律，预测结构变化趋势，通过知识管理专家咨询体系，对边坡施工质量、安全和进度进行预判，实现边坡稳定分析、爆破震动及影响评价、支护效果分析、施工质量分析与综合评价等功能，从而制定优化控制的措施.控制，即结合感知与实时分析的结果，进一步对现场施工进行预警与调控，实现对施工过程和结果的管控，通过利用预定时程曲线和控制标准进行动态优化和调控，实现开挖与支护梯段优化、开挖时间及次序控制、支护时机优化、监测与爆破设计优化等功能.

　　2边坡施工全过程信息模型

　　水电工程边坡施工全过程信息模型(以下简称“信息模型”)以边坡三维几何模型为基础，赋予施工进度的时间维信息，并综合集成设计成果、开挖支护施工过程、测量、工程质量、安全监测过程、综合分析与安全评价等信息，信息模型“几何模型+时间+信息”的构成模式可为工程施工全过程的进度、质量与安全信息分析及管理提供随进度动态变化的几何模型，完整的数据支持和可视化模拟.模型考虑以下6个方面信息.

　　2.1设计成果信息

　　边坡设计成果为设计单位提交的勘测设计资料及成果，包括勘测资料、边坡结构设计成果、施工工艺要求与质量控制标准、监测设计成果、施工期地质编录及地质预测等信息.设计成果中的三维模型(又称基础信息模型)，是采集全部信息的几何载体.模型应能对边坡结构(面)模型、分梯段分块模型(每10~20m一个梯段)、施工支洞模型等结构物模型的几何信息、空间信息及其他属性信息进行综合管理，发布地质勘测资料的地质素描及地质预测成果，同时能集成施工程序、施工方法、施工资源、施工工艺、质量控制指标、主要工程量等施工信息.

　　2.2施工过程信息

　　信息模型要求对边坡施工进度计划、施工过程及重点工序监控(爆破、施工放样、测量收方与开挖体型控制等)进行数字化管控，主要包括开挖与支护信息2大部分.开挖部分主要包括:边坡分区分块设计、钻孔放样、测量收方、三维激光扫描等过程与成果;施工进度计划、爆破设计过程;通过施工、监理人员的数字化日志记录，对现场进度、安全、质量控制环节进行实时跟踪;钻孔效率、火工材料单耗、出渣效率等关键施工工序的动态跟踪、分析与优化.支护部分包括:各个部位的支护手段、支护参数的数字化与可视化;现场采集支护施工过程中的工序过程记录;动态跟踪工程量(工序量)、主要材料的消耗量及现场施工状态;跟踪锚杆、锚索施工中的放样、钻孔、安装、灌浆、锚墩砼浇筑、张拉、封孔灌浆等施工工序过程.

　　2.3测量信息

　　测量手段主要采用全站仪及三维激光扫描仪，全站仪作为传统的测量手段，在施工中全面应用于施工放样及收方测量中;三维激光扫描仪作为先进的测量手段，主要应用于较大区域范围内的地形与开挖体型的测量工作.信息模型应对边坡的原始地形、放样、收方、竣工等测量工作及其成果的管理，与全站仪、三维激光扫描仪建立数据接口，实现施工进度的可视化表达、开挖方量计算及施工质量分析(超欠挖)等，从而为施工进度与质量管理提供支撑.

　　2.4工程质量信息

　　质量管理主要为工程施工阶段的质量管理，通过一系列规定的标准化作业过程确保工程质量达到行业规范要求.行业中通过各作业工序的质量验收来实现，包括施工工序质量评定过程与单元评定成果，以及与之相关的工程测量与检测资料和成果的管理.前者以施工工艺与工序为基础，以标准化的质量表单为核心，构建对质量过程记录、工序评定、单元验收成果的集中管理系统，实现对边坡开挖、锚杆、喷混凝土、预应力锚索、衬砌混凝土、石方明挖等施工工序准备、评定及单元评定过程、资料与成果的管理.后者利用原始的工程测量与检测数据，对开挖的体型控制(超欠挖分析、半孔率、不平整度)、锚杆无损检测、喷护厚度与强度等的关键质量指标进行分析评价.

　　2.5安全监测信息

　　安全监测过程包括外观监测网的建设、内观仪器的埋设与维护、日常数据采集及数据统计分析等工作.针对安全监测工作，监测点的布置以及安全监测评价均是针对某些关键部位或断面进行的，因此关键部位或断面是安全监测的对象，监测项目(变形、应力应变、渗流、温度)是安全监测的要素.结合水电工程边坡的监测内容，信息模型须能实现监测方案设计成果、监测仪器埋设与标定、监测数据采集、监测结果计算、监测成果分析与评价等功能.其中，安全监测评价主要采用关键部位(或断面)单个项目的单个代表性测点、重要监测项目多测点、多项目多测点进行安全评价和动态监控.

　　2.6综合分析评价信息

　　边坡实际施工过程中，系统同步采集大量进度、质量、测量、监测等各类数据，形成了边坡施工数字档案库，基于此可提供各专业的报表与报告，以便参建各方实时动态查阅分析.同时，利用数据挖掘技术，对现场质量、支护跟进情况、边坡变形监测与稳定情况等方面进行综合分析与安全评价预警，形成动态过程曲线与变化特征指标，综合反映当前进度状态的边坡各个部位的安全情况.

　　3信息模型构建方法与实现

　　边坡施工全过程信息模型包含边坡结构、相关施工属性及其相互关系，涉及工程地质、岩体力学、计算机图形、三维建模及工程施工等方面学科，其中涉及的信息技术和空间虚拟技术、信息精准感知技术、大数据快速传输与存储技术、虚–实调控模型仿真模拟均为主要技术难题.信息模型具有以下特点[1113]:模型继承工程设计与施工阶段的所有静动态信息，将其储存于数据库进行有效挖掘分析与管理;动态直观表现工程施工全过程的工程地质条件、施工进度、质量与安全等信息;模型具有三维场景可视化交互功能，能实现“模型信息”双向操作与分析;可扩展性强，相关数据挖掘分析可通过数据接口引擎获取，进一步进行数值仿真计算与工程项目管理及应用等.

　　3.1几何载体模型构建

　　边坡施工全过程信息载体模型应具有较好的可视化表达方式，且易于表达模型的属性信息.信息模型几何载体建模的第一步就是将边坡几何数据与工程地质信息耦合，建立边坡工程三维地质表面模型，将原始地质数据(地形图、地质剖面、钻孔、平硐等)建立边坡区域所有边界面和约束面模型，建立初始地质界面.利用Revit自适应构件创建方式，通过3点、4点或更多点数，快速创建不同坡度几何模型，主要创建步骤:1)创建整体边坡族，与实际工程坐标与高程相符对控制点进行标识，完成控制点布置;2)创建规则边坡族，依据设计信息对边坡坡度、高程构建规则的边坡及马道;3)将规则边坡族构件嵌入整体边坡族构件，符合控制点坐标准确性;4)在整体边坡族构件中，结合载入的规则边坡构件，采用自适应建模方式，完成局部复杂的边坡的创建;5)边坡整体族构件放于实际坐标位置，同步进行模型初步轻量化处理，最终实现边坡信息几何载体模型的构建.

　　4边坡信息模型管理平台应用

　　以白鹤滩水电站坝肩边坡为例，利用本文提出的边坡施工全过程信息模型与现代化信息模型管理平台进行分析评价应用.主要包括施工过程、施工测量、工程质量、安全监测、综合分析评价等信息管理功能模块.

　　5结论

　　将现代信息技术与工程建设深度融合，以感知、分析、控制的智能建造理论为基础，利用计算机仿真、可视化与物联网技术，提出水电工程边坡施工全过程信息模型的建立方法和实现过程，研发构建了集进度、质量、安全于一体的高边坡施工全过程的现代化信息模型管理平台.本文克服了水电工程传统的施工信息流动模式，形成了边坡施工全过程的工程数字档案中心，为后续水电工程的数字化和信息化提供了解决思路和参考.平台同步构建了边坡工程施工全过程的数字档案库，涉及工程结构设计、进度计划、施工过程、爆破监测、工程测量、工序验收与单元评定、安全监测等数据信息，数据的成功采集与传输是系统成功应用的基础保障.工程实例应用表明，施工过程中参建各方通过本文信息模型实时、在线采集施工和监测等数据信息，可对施工过程进行实时跟踪与动态分析，实现边坡施工全过程精细化管控，提升施工管控水平.

　　参考文献(References)

　　[1]周创兵.水电工程高陡边坡全生命周期安全控制研究综述[J].岩石力学与工程学报，2013，32(6):10811093.ZHOUCB.AprospectofresearchesonlifeGcyclesafetycontrolonhighGsteeprockslopesinhydropowerengineering[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2013，32(6):10811093.(inChinese)

　　[2]董家兴，徐光黎，申艳军，等.水电工程环境边坡危险源危险度评价体系及其应用[J].岩石力学与工程学报，2013，32(S2):38293835.